Снижение уровня динамических нагрузок в элементах редуктора привода тяги экскаваторов-драглайнов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.232.8.004(075.8)

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЭЛЕМЕНТАХ РЕДУКТОРА ПРИВОДА ТЯГИ ЭКСКАВАТОРОВ-ДРАГЛАЙНОВ

© И.А. Иов1, А.В. Сорокин2, А.С. Леоненко3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предложен способ снижения нагрузок в приводе тяги путем согласования момента двигателя в функции скорости с поддержанием постоянной мощности привода, обоснована целесообразность его использования для приводов тяги шагающих экскаваторов-драглайнов ЭШ 20.90. Выполнены исследования динамических нагрузок в элементах редуктора привода тяги с применением разработанного нового и стандартного способов регулирования. Получены результаты, подтверждающие высокую эффективность новшества. Ил. 5. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: экскаватор; редуктор; снижение нагрузок; системы управления.

DYNAMIC LOAD REDUCTION IN DRAGLINE GEAR TRACTION DRIVE ELEMENTS I.A. Iov, A.V. Sorokin, A.S. Leonenko

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article proposes a method to reduce stress in a drive traction by coordinating engine torque in a speed function while maintaining a constant drive power. The expediency of method application for traction drives of draglines ЭШ 20.90 is substantiated. Dynamic loads in the elements of traction drive reducer are studied using new developed and standard regulation methods. The obtained results confirm the high effectiveness of the proposed regulation method. 5 figures. 4 sources.

Key words: excavator; reducer; load decrease; control systems.

Экскаваторы-драглайны являются основным средством механизации работ при разработке пластовых месторождений угля в регионах Сибири. С их надежностью и производительностью связаны основные показатели эффективности горных предприятий. Многочисленные исследования эксплуатационной надежности экскаваторов-драглайнов показывают, что 50-70% отказов связаны с выходом из строя механического оборудования [1]. Анализ статистической информации по отказам механического оборудования шести экскаваторов-драглайнов ЭШ 20.90 на разрезах ООО «Черемховуголь» за период с 2000 по 2010 г. показал, что большая часть выходов из строя связана с отказами тяговых и подъемных механизмов, динамика которых свидетельствует о возрастании их количества при увеличении срока эксплуатации. Исследования надежности редуктора тяги позволили установить, что значительную долю отказов составляют вал-шестерни z=32, т=12 (21%) и z=20, т=26 (40%) (рис. 1).

Анализ причины отказов вал-шестерней показал, что большая их часть связана с развитием усталостных трещин в местах концентраций напряжений.

В [2] показано, что при отрицательных температурах воздуха на 20% увеличивается средний диаметр развала куска породы, возрастает вероятность появления негабаритных кусков, т.е. возможно появление жестких стопорений копающих механизмов. Увеличивается общая нагруженность редуктора в связи с дополнительными маневрами ковшом при раскладке негабаритов. Установлено, что частота отказов редуктора в зимние и весенние месяцы увеличивается в 2...2,5 раза по сравнению с летним периодом.

Исследования нагруженности наиболее слабых элементов редуктора производились на математической модели привода тяги экскаватора ЭШ 20.90, представляющей собой единую электромеханическую систему, в которой электрическая и механическая части в динамических режимах находятся в непрерывном взаимодействии. Полученные данные моделирования позволили сделать вывод, что нагрузки, возникающие на вал-шестерне z=20, т=26 в режимах сто-порения рабочего органа, соизмеримы с нагрузками на рабочем органе в относительных величинах (рис. 2). Как видно из рисунка, величина стопорных моментов достигает опасных значений, что в условиях

1Иов Иван Алексеевич, аспирант, тел.: 89140329437, e-mail: iovivan@rambler.ru Iov Ivan, Postgraduate, tel.: 89140329437, e-mail: iovivan@rambler.ru

2Сорокин Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru

Sorokin Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru.

3Леоненко Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 613588, e-mail: idfix3@yandex.ru

Leonenko Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromecha ni-cal Systems, tel.: (3952) 613588, e-mail: idfix3@yandex.ru

Рис. 1. Распределение отказов редуктора тяги

Нагрузка на рабочем органе

Рис. 2. Осциллограммы нагрузок в элементах привода тяги

низких отрицательных температур при разработке плохо разрыхленных, скальных и смерзшихся пород становится критическим фактором. Необходимо стремиться к снижению нагрузок, возникающих в редукторе тяги, для повышения надежности привода в целом.

До настоящего времени большинство шагающих экскаваторов-драглайнов оснащалось приводами постоянного тока по системе генератор-двигатель с возбуждением генератора от тиристорного преобразователя с системой подчиненного управления.

Известны следующие способы снижения динамических нагрузок в копающих механизмах экскаваторов-драглайнов:

- формирование механической характеристики с ограничением момента стопорения (выполняется при сезонной наладке);

- применение устройства снижения механических перегрузок, основанное на измерении усилия в тяговых кантах и их сравнение со стопорным усилием. В случае превышения стопорного усилия ограничивает-

ся ток возбуждения генератора для поддержания усилия на уровне предельно допустимого.

Сезонная наладка приводов производится путем снижения значений тока стопорения. Это приводит к снижению производительности машины, увеличению времени цикла и снижению усилий со стороны привода. Экскаватор становится более «вялым», что, безусловно, неудобно для машиниста.

Устройство снижения механических перегрузок реализовано в ячейке снижения механических перегрузок, установленной на экскаваторе ЭШ 20.90 №53 предприятия ООО «Черемховуголь». Натурные испытания показали, что применяемое устройство позволяет снизить нагрузки, возникающие в канатах. Однако проведенный статистический анализ надежности редуктора данного экскаватора показал, что отказы вал-шестерней снизились незначительно.

Величина динамических нагрузок , возникающих в механизме тяги в режимах стопорения, зависит от скорости двигателя усилий, создаваемых приво-

дом /д , механической инерционности механизма кр и определяется выражением

р = р л- к .у

'дин *Д 1 'д-

Из выражения видно, что динамические нагрузки, возникающие в механизме в процессе стопорения, будут тем меньше, чем меньше усилия, развиваемые приводом, и начальная скорость стопорения. Учитывая что в процессе стопорения усилия снижаются, целесообразно ограничить первый пик на уровне допустимого и дальнейшие нагрузки будут меньше. Одновременно с этим по мере заполнения ковша будет рационально уменьшаться его скорость и динамическая добавка будет наименьшей. Указанным условиям удовлетворяет принцип регулирования момента на валу двигателя в зависимости от его скорости с поддержанием постоянной мощности привода [3]. Учитывая что Р„=М„-ш„ и Мд = сФд ■ 1я, получим

где Рд - мощность двигателя, Вт; Мд - момент, развиваемый двигателем, Н*м; сФд - магнитный поток двигателя, Вб; 1я - ток якорной цепи, А; шд - угловая частота вращения двигателя, рад/с. Регулирование момента двигателя на уровне постоянной мощности привода возможно воздействием на магнитный поток двигателя сФд при различных значениях нагрузки и скорости [4]. Механические характеристика электропривода при различных заданиях скорости двигателя представлены на рис. 3.

Предлагаемый способ имеет дополнительное устройство ограничения перегрузок в динамических режимах. Ограничение осуществляется путем измерения упругого усилия в канатах тягового механизма и сравнивается со стопорным значением , в случае превышения стопорного значения система управления снижает значение потока двигателя. Ослабление магнитного поля двигателя осуществляется таким образом, что позволяет поддерживать усилие тяговой лебедки на уровне стопорного. Упругое усилие вычисляется согласно выражению

где - усилие, создаваемое двигателем, при изменяемом потоке пропорционально моменту двигателя; т - масса 2-х двигателей и прикрепленных к нему вращающихся частей механизма; - скорость двигателя, приведенная к рабочему органу.

-1-1--Т--]-""

0,5 1,0 1,5 2,0

Рис. 3. Механические характеристики электропривода

Функциональная схема предложенной системы управления представлена на рис. 4.

Устройство управления приводом механизма тяги экскаватора состоит из сельсинного командоаппарата СКАР, регуляторов привода РП, блока управления возбуждением генератора и двигателя БУВ, тиристор-ного преобразователя возбуждения генератора ТВ, генератора Г, двигателя Д, тиристорного преобразователя возбуждения двигателя ТВД, датчика напряжения ДН, датчика тока ДТ, датчика усилия в канате ДУ, задатчика ослабления тока возбуждения двигателя ЗОВ, задатчика возбуждения двигателя ЗВ, регулятора возбуждения двигателя РВ.

Настройка дополнительного контура ослабления возбуждения двигателя выполняется следующим об-

Рис. 4. Функциональная схема способа управления приводом тяги

разом. Устанавливается заданный номинальный ток возбуждения двигателя в блоке ЗВ. В задатчике ослабления тока возбуждения ЗОВ формируется сигнал для ослабления тока возбуждения в функции скорости по уравнению Фд = Фном - Ашд, где А - константа, о)д - скорость двигателя. В регуляторе РВ происходит суммирование двух величин и подается управляющее воздействие на преобразователь ТВД. Максимальный момент стопорения выбирается равным 2 ■Мном ( см . рис. 3) и не изменяется в диапазоне скоростей от 0 до 0 ,2 ■ шном (магнитное поле двигателя не ослабляется), что обеспечивается выбором зоны нечувствительности. Далее с увеличением скорости двигателя значения моментов уменьшаются (ослабляется магнитное поле двигателя) до минимального, равного

0 . 5 ■ с Фном, что обеспечивает момент двигателя

1 , 1 ■М,, ом. Это позволяет обеспечить хорошее быстродействие при маневрировании с заполненным ковшом. Устройство сравнения усилий, создаваемых лебедкой, с максимально возможными усилиями расположено в блоке БУВ, уставка срабатывания выбирается из расчета максимального тягового усилия лебедки.

Рассмотрим пример работы привода тяги шагающего экскаватора с предлагаемой системой управления. В начале процесса копания машинист экскаватора, устанавливая сельсинный командоаппарат в нужное положение, задает требуемую скорость привода. Привод разгоняется на заданную скорость, начинается заполнение ковша породой. Момент сопротивления постепенно увеличивается, и скорость двигателя уменьшается согласно характеристике, представленной на рис. 3. Одновременно с этим непрерывно контролируется упругое усилие, создаваемое в канатах лебедки. При встрече ковша с непреодолимым препятствием усилие в канатах возрастает и достигает стопорного значения. В этот момент устройство сравнения в блоке БУВ выдает сигнал на ограничение зна-

чения тока возбуждения двигателя, величина тока возбуждения регулируется таким образом, что позволяет ограничить усилия в канатах на уровне, близком к стопорному значению. Процесс стопорения происходит с меньшими динамическими нагрузками.

Исследование динамических нагрузок производилось в следующей последовательности: пуск привода осуществлялся при моменте сопротивления Мс = Мн ом с последующим стопорением Мс = 2-Мном. Данные нагрузок на рабочем органе и вал-шестерне, на двигателе и скорости двигателя с тремя различными способами управления: СТ - стандартный способ, ПР -предлагаемый способ с ослаблением магнитного поля двигателя в функции скорости, ПР с ДУ - предлагаемый способ с датчиком усилия - приведены на рис. 5.

Результаты моделирования позволили установить следующее:

- время пуска при стандартном и предлагаемом способе одинаково;

- наброс номинальной нагрузки не вызывает просадки скорости;

- нагрузки на рабочем органе в режимах стопорения снижаются с применением предлагаемого способа с датчиком усилия;

- в режимах стопорения рабочего органа нагрузки на вал-шестерне с применением предлагаемого способа существенно снижаются и являются наименьшими с применением предлагаемого способа, оснащенного датчиком усилия.

Исследования предлагаемого способа регулирования при различных значениях коэффициента динамичности показали, что нагрузки на рабочем органе снижаются и не превышают (2 , 7 - 3 ) -Мн ом. На наиболее нагруженных элементах редуктора (вал-шестернях z=32, т=12 и z=20, т=26) снижение происходит до величины (2 ,2 - 2 ,4) ■ Мном.

Нагрузка на рабочем органе

Рис. 5. Нагрузки на рабочем органе и вал-шестерне z=20, m=26

Использование предлагаемого способа формиро- достаточную динамичность, создавая усилия в кана-

вания механической характеристики позволяет сни- тах, равные 1,2 - 1,4. Снижение нагрузок в элементах

жать скорость рабочего органа с увеличением нагруз- трансмиссии до величин позволяет

ки, что целесообразно, поскольку большая часть сто- повысить их ресурс, что особенно важно при эксплуа-

порений происходят в конце цикла заполнения ковша. тации экскаватора в сложных горных условиях и при

Ослабление поля двигателя в режимах стопорения низких температурах воздуха.

позволяет ограничить нагрузки на рабочем органе и на Статья поступила 18.06.2014 г.

вал-шестерне z=20, m=26. При этом привод сохраняет

Библиографический список

1. Хладноломкость и хладостойкость металлоконструкций ковшового экскаватора и устройство для его осуществления горных машин в условиях Севера / А.И. Шадрин [и др.]. Ир- / С.С. Леоненко, А.В. Сорокин и др. (Россия). кутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 232 с. №2004114678/03; Заяв. 13.05.2004; Опубл. 27.06.2005, Бюл.

2. Путятин А.Н. Оценка долговечности металлоконструк- №18.

ций шагающих экскаваторов при разработке взорванных 4. Сорокин А.В. Система управления испытательного

пород на угольных разрезах Кузбасса: дис. ... канд. техн. стенда тяговых двигателей постоянного тока // Вестник Ир-

наук. Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2005. кутского государственного технического университета. 2010.

3. Пат. 2255184 Россия, МКИ Е 02 F9/20, H 02 P 5/00. Спо- № 2. С. 126-129. соб управления электроприводом постоянного тока одно-

УДК 62-752

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИВЕДЕННЫХ ЖЕСТКОСТЕЙ ПРИ УЧЕТЕ РЫЧАЖНЫХ СВЯЗЕЙ В МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

А

© Е.В. Каимов1

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Рассматриваются особенности математического моделирования механической системы, имитирующей движение мобильного робота. Анализируется расчетная схема технического объекта в виде механической колебательной структуры с двумя степенями свободы. Определены приведенные жесткости, предлагается введение амплитудно-частотных характеристик нового вида для оценки свойств динамических реакций. Представлены примеры оригинальных устройств в виде механической колебательной системы с двумя степенями свободы. Ил. 7. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: математическое моделирование; механическая колебательная система; твердое тело; динамические реакции.

UNIT STIFFNESS DETERMINATION WITH REGARD TO LEVER TIES IN MECHANICAL OSCILLATION SYSTEMS WITH TWO DEGREES OF FREEDOM Е-V. toimov

Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers the features of mathematical modeling of a mechanical system imitating mobile robot motion. It analyzes a computational scheme of a technical object in the form of a mechanical oscillation structure with two degrees of freedom. Unit stiffnesses are determined and it is proposed to introduce amplitude-frequency characteristics of a new type to assess dynamic reaction properties. Examples of original devices in the form of the mechanical oscillation system with two degrees of freedom are given. 7 figures. 8 sources.

Key words: mathematical modeling; mechanical oscillation system; solid body; dynamic reactions.

Введение. Рычажные механизмы широко используются в различных машинах, в частности, в конструкциях транспортных средств [1-3]. Влияние рычажных связей, привносимых в схемы взаимодействия механических колебательных систем, рассмотрено в [4-6]. Вместе с тем, особенности рычажных связей как таковых еще не получили окончательной оценки, что инициирует развитие методов математических моделей, отражающих специфику влияния дополнительно вводимых устройств для преобразования движения.

В предлагаемой статье развиваются методологические основы для решения задач, возникающих в системах, содержащих рычажные механизмы. Автором используются структурные методы интерпретации математических

1 Каимов Евгений Витальевич, аспирант, младший научный сотрудник научно-образовательного центра современных технологий, системного анализа и моделирования, тел.: 89086427364, e-mail: eliseev_s@inbox.ru

Kaimov Evgeny, Postgraduate, Junior Researcher of Science Education Center of Modern Technologies, System Analysis and Modeling, tel.: +79086427364, e-mail: eliseev_s@inbox.ru